JP2020029378A - 光学ガラス - Google Patents
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Abstract
【課題】所望の光学特性を有し、かつ、透過率が良好である光学ガラスを提供する。【解決手段】モル%で、SiO21.5〜60%、B2O31〜30%、Ta2O50〜15%、Nb2O512〜35%、TiO20〜15%、及びNa2O+K2O+Li2O 0.1〜40%を含有し、かつ、鉛成分、ヒ素成分、フッ素成分を実質的に含有しないことを特徴とする光学ガラス。【選択図】なし
Description
本発明は、デジタルカメラやビデオカメラの光学レンズや光通信用レンズ等として好適な光学ガラスに関する。
近年、デジタルカメラやビデオカメラの高性能化、具体的には、小型化、高倍率化、高精細化等がますます進んでいる。このような高性能化を達成するため、デジタルカメラやビデオカメラに使用される光学レンズ用ガラスには、高屈折率、高分散、及び異常分散等の特性が要求されることが多くなっている。
上記特性を満たすガラスとして、例えば、屈折率(nd)が1.75以上、アッベ数(νd)が35以下のSiO2−TiO2−Nb2O5系ガラスが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
従来のSiO2−TiO2−Nb2O5系ガラスは所望の光学特性を有するものの、透過率が低く、光学レンズとしての使用に支障をきたすという問題があった。
以上の課題に鑑み、本発明は、所望の光学特性を有し、かつ、透過率が良好である光学ガラスを提供することを目的とする。
本発明の光学ガラスは、モル%で、SiO2 1.5〜60%、B2O3 1〜30%、Ta2O5 0〜15%、Nb2O5 12〜35%、TiO2 0〜15%、及びLi2O+Na2O+K2O 0.1〜40%を含有し、かつ、鉛成分、ヒ素成分、フッ素成分を実質的に含有しないことを特徴とする。
本発明者らの調査の結果、SiO2−TiO2−Nb2O5系ガラスにおいて透過率が低下する主な原因は、屈折率、及び分散を高めるための成分であるTiO2が多量に含有されていることにあることを突き止めた。そこで、TiO2の含有量を極力少なくするとともに、同じく屈折率、及び分散を高める成分であるNb2O5を多く含む、SiO2−Nb2O5−−R2O(RはLi、NaまたはK)系ガラスであれば、高屈折率、及び高分散の光学特性を達成しつつ、高透過率を達成できることを見出した。また、耐候性も良好となり、製造工程や製品使用中において、物性の低下や表面の変質等が生じにくくなる。さらに、Nb2O5を必須成分として含有することにより、異常分散性に優れた(すなわち、部分分散比の低い)ガラスを得ることが可能となる。
本発明の光学ガラスは、さらに、モル%で、MgO+CaO+SrO+BaO+ZnO 0〜10%を含有することが好ましい。
本発明の光学ガラスは、さらに、モル%で、ZrO2 0〜15%、Al2O3 0〜10%を含有することが好ましい。
本発明の光学ガラスは、さらに、ガラス組成として、質量%で、La2O3+Gd2O3+Bi2O3+Y2O3+Yb2O3+TeO2+GeO2 0〜10%を含有することが好ましい。
本発明の光学ガラスは、モル比で、Nb2O5/Ta2O5が350以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスは、モル比で、TiO2/Nb2O5が1.2以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスは、屈折率が1.75〜1.95、アッベ数が15〜35であることが好ましい。
本発明の光学ガラスは、部分分散比が0.645以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスは、部分分散比(θg,F)とアッベ数(νd)が、(θg,F)<−0.0041×(νd)+0.7190の関係式を満たすことが好ましい。
本発明の光学ガラスは、着色度λ70が480nm未満であることが好ましい。
本発明によれば、所望の光学特性を有し、かつ、透過率が良好である光学ガラスを提供することが可能となる。
以下に、本発明の光学ガラスにおける各成分の含有量を上記のように限定した理由を説明する。なお、特に断りがない場合、以下の説明において「%」は「モル%」を意味する。
SiO2はガラス骨格を形成する成分である。また、耐候性を向上させる効果があり、特にガラス中のアルカリ金属酸化物等の成分が水へ選択的に溶出することを抑制する効果が高い。さらに、液相温度を低下させ、失透を抑制する効果がある。SiO2の含有量は1.5〜60%であり、2.5〜57.5%、5〜55%、7.5〜30%、特に10〜27.5%であることが好ましい。SiO2の含有量が少なすぎると、上記効果が得られにくくなる。一方、SiO2の含有量が多すぎると、溶融性が低下して未溶解による脈理や気泡がガラス中に残存しやすくなり、レンズ用ガラスとしての要求品位を満たさなくなる可能性がある。また、部分分散比が上昇しやすくなる。
B2O3はSiO2と同様にガラス骨格を形成する成分である。また、SiO2と比較すると部分分散比を上昇させにくい。B2O3の含有量は1〜30%であり、1.5〜25%、2.5〜20%、特に5〜17.5%であることが好ましい。B2O3の含有量が少なすぎると、ガラス化が困難になる傾向がある。一方、B2O3の含有量が多すぎると、溶融時に蒸発しやすくなり、均質なガラスが得られにくくなる。
Ta2O5は高屈折率化、及び高分散化を達成するための成分であり、また、部分分散比を低下させる効果の高い成分である。さらに、高屈折率化を達成できる成分の中で、比較的液相温度を上昇させにくい(失透が発生しにくい)成分である。Ta2O5の含有量は0〜15%であり、0.5〜13%、1〜11%、特に1.5〜9%であることが好ましい。Ta2O5の含有量が多すぎると、液相温度が上昇してTa2O5を主成分とした結晶が析出しやすくなり、ガラス化が困難になる傾向がある。
Nb2O5は高屈折率化、及び高分散化を達成するための成分であり、また、部分分散比を低下させる効果の高い成分である。Nb2O5の含有量は12〜35%であり、13〜32.5%、15〜30%、17〜27.5%、19〜26%、特に20〜25%であることが好ましい。Nb2O5の含有量が少なすぎると、上記効果が得られにくくなる。一方、Nb2O5の含有量が多すぎると、液相温度が上昇してNb2O5を主成分とした結晶が析出しやすくなり、ガラス化が困難になる傾向がある。
TiO2は高屈折率化、及び高分散化を達成するための成分であり、また、部分分散比を低下させる効果も有する。また、紫外光によるガラスの着色を抑制する効果がある。TiO2の含有量は0〜15%であり、0.1〜12.5%、0.5〜10%、特に1〜8.5%であることが好ましい。TiO2の含有量が多すぎると、耐失透性が低下してガラス化が困難になる傾向がある。また、可視域透過率が低下しやすくなる。
なお、Ta2O5、Nb2O5、TiO2の中で部分分散比を低下させる効果が最も大きい成分はTa2O5であり、次にNb2O5、次いでTiO2である。
本発明の光学ガラスにおいて、低い部分分散比を達成するため、Nb2O5とTa2O5の合量(Nb2O5+Ta2O5)を適宜調整することが好ましい。具体的には、Nb2O5+Ta2O5は12%以上、14%以上、16%以上、特に18%以上であることが好ましい。
本発明の光学ガラスにおいて、低い部分分散比を達成するため、Nb2O5とTa2O5、TiO2とNb2O5のそれぞれの含有量の比を適宜調整することが好ましい。具体的には、モル比で、Nb2O5/Ta2O5が350以下、200以下、100以下、50以下、40以下、30以下、20以下、18以下、特に16以下であることが好ましい。モル比で、TiO2/Nb2O5が1.2以下、1.1以下、特に1以下であることが好ましい。Nb2O5/Ta2O5、TiO2/Nb2O5のいずれかが上記範囲より大きすぎると、低い部分分散比が得られにくくなる。また、可視域透過率が低下しやすくなる。
Li2O、Na2O、及びK2Oは部分分散比を低下させる成分である。また、軟化点を低下させたり、ガラス化を容易にする効果がある。Li2O、Na2O、及びK2Oの合量(Li2O+Na2O+K2O)は0.1〜40%であり、0.5〜37.5%、1〜35%、1.5〜32.5%、特に2〜30%であることが好ましい。Li2O、Na2O、及びK2Oの合量が少なすぎると、上記効果が得られにくくなる。一方、Li2O、Na2O、及びK2Oの合量が多すぎると、化学的耐久性が低下しやすくなる。また、高屈折率かつ高分散の光学特性が得られにくくなる。
なお、Li2O、Na2O、及びK2Oの各成分の含有量は、それぞれ0〜40%、0.1〜37.5%、0.5〜35%、1〜32.5%、特に1.5〜30%であることが好ましい。
本発明の光学ガラスには、上記成分以外にも、下記の成分を含有させることが可能である。
MgO、CaO、SrO、BaO、及びZnOは、中間酸化物としてガラス骨格を形成するため、耐失透性を改善したり、化学的耐久性を向上させる効果がある。ただし、これらの成分は部分分散比を上昇させるため、その含有量が多すぎると所望の光学特性が得られにくくなる。したがって、MgO、CaO、SrO、BaO、及びZnOの合量(MgO+CaO+SrO+BaO+ZnO)は0〜10%、0〜8%、0.1〜7、5%、特に0.5〜6.5%であることが好ましい。
なお、MgO、CaO、SrO、BaO、及びZnOの各成分の含有量は、それぞれ0〜10%、0〜8%、0.1〜7、5%、特に0.5〜6.5%であることが好ましい。
ZrO2は屈折率を高める成分であり、部分分散比を低下させる効果も有する。また、耐候性を向上させる効果があり、特にガラス中の成分が水へ選択的に溶出することを抑制する効果が高い。ZrO2の含有量は0〜15%、0.5〜14%、1〜12.5%、特に2〜12%であることが好ましい。ZrO2の含有量が多すぎると、失透しやすくなる。また、溶融性が低下して脈理や気泡がガラス中に残存し、レンズ用ガラスとしての要求品位を満たさなくなる可能性がある。
なお、低い部分分散比を達成するため、Nb2O5とTa2O5の合量(Nb2O5+Ta2O5)とZrO2の含有量の比を適宜調整することが好ましい。具体的には、モル比で、(Nb2O5+Ta2O5)/ZrO2が1以上、1.5以上、2以上、3以上、5以上、7.5以上、特に10以上であることが好ましい。(Nb2O5+Ta2O5)/ZrO2が上記範囲より小さすぎると、低い部分分散比が得られにくくなる。また、可視域透過率が低下しやすくなる。
Al2O3は、SiO2と同様にガラス骨格を形成することが可能な成分である。また、耐候性を向上させる効果があり、特にガラス中の成分が水へ選択的に溶出することを抑制する効果が高い。また、少量添加することで失透を抑制する効果がある。Al2O3の含有量は0〜10%、特に0.1〜5%であることが好ましい。Al2O3の含有量が多すぎると、失透しやすくなる。また、溶融性が低下して脈理や気泡がガラス中に残存し、レンズ用ガラスとしての要求品位を満たさなくなる可能性がある。
La2O3、Gd2O3、Bi2O3、Y2O3、Yb2O3、TeO2、及びGeO2は屈折率を高める成分である。ただし、これらの成分は部分分散比を上昇させるため、その含有量が多すぎると所望の光学特性が得られにくくなる。したがって、La2O3、Gd2O3、Bi2O3、Y2O3、Yb2O3、TeO2、及びGeO2の合量(La2O3+Gd2O3+Bi2O3+Y2O3+Yb2O3+TeO2+GeO2)は0〜10%、0〜9%、0.1〜8%、特に0.5〜5%であることが好ましい。
なお、La2O3、Gd2O3、Bi2O3、Y2O3、Yb2O3、TeO2、及びGeO2の各成分の含有量は、それぞれ0〜10%、0〜9%、0.1〜8%、特に0.5〜5%であることが好ましい。
P2O5はガラス骨格を形成する成分であり、失透を抑制するとともに耐候性を向上させる効果がある。また、アッベ数を高める効果がある。ただし、P2O5の含有量が多すぎると、かえって耐候性が低下する傾向がある。また、屈折率が低下したり、軟化点が上昇して低温でのモールドプレス成形が困難になる傾向がある。さらに、部分分散比が不当に上昇する傾向がある。したがって、P2O5の含有量は0〜10%、特に0〜5%であることが好ましい。
WO3は高屈折率化、及び高分散化を達成するための成分であり、部分分散比を低下させる効果も有する。また、紫外光による着色を抑制できる。ただし、その含有量が多すぎると、耐失透性が低下してガラス化が困難になったり、紫外域透過率が低下する傾向がある。また、プレス金型との親和性が増大して、モールドプレス成形時にガラスが金型と融着しやすくなる傾向がある。したがって、WO3の含有量は0〜30%、0.1〜29%、0.5〜28%、特に1〜27.5%であることが好ましい。
清澄剤として、例えばSb2O3、SnO2、CeO2、NO3、又はSO3を含有させることができる。Sb2O3は微量であれば可視域透過率を向上させる効果も有する。ただし、上記清澄剤の含有量が多すぎると、望まない着色が発生するおそれがあるため、これらの成分の含有量はそれぞれ1%以下とすることが好ましい。
鉛成分(例えばPbO)、ヒ素成分(例えばAs2O3)、及びフッ素成分(例えばF2)は環境への負荷が大きく、また、ガラスへの着色が懸念されるため、実質的に含有しない(具体的には各々0.1%未満)。
本発明の光学ガラスをレンズとして使用する場合、屈折率を高めるほど薄型化が可能となり、光学デバイスを小型化する上で有利となる。よって、本発明の光学ガラスの屈折率(nd)は1.75以上、1.775以上、1.785以上、特に1.8以上であることが好ましい。一方、屈折率を向上させるためには、Nb2O5等のガラスを不安定にさせる成分を多く含有させる必要があるため、ガラスの安定性を考慮して屈折率の上限を規定する必要がある。具体的には、本発明の光学ガラスの屈折率は1.95以下、特に1.9以下であることが好ましい。
本発明の光学ガラスのアッベ数は35以下、30以下、26以下、特に24以下であることが好ましい。なお、アッベ数が低いほど、光学設計上、他のレンズとの組み合わせにおける色収差の低減に有利となるが、一方で、屈折率が低下したり、ガラスが不安定になる傾向がある。そのため、本発明の光学ガラスのアッベ数は15以上、18以上、20以上、21以上、特に22以上であることが好ましい。
光学デバイスにおいて色収差の補正をおこなうため、低分散ガラスと高分散ガラスを組み合わせて使用するのが一般的である。ここで、高分散ガラスとして部分分散比の小さいガラスを使用することにより、色収差の補正がより効果的に行えることが分かっている。したがって、本発明の光学ガラスの部分分散比(θg,F)は、0.645以下、0.63以下、0.62以下、特に0.615以下であることが好ましい。
なお、部分分散比(θg,F)とアッベ数(νd)が、(θg,F)<−0.0041×(νd)+0.7190の関係式を満たすことが好ましい。このようにすれば、色収差の補正をより効果的に行うことが出来る。
本発明の光学ガラスは着色度λ70が低いことが好ましい。それにより、可視域、及び近紫外域における透過率が高くなり、かつ、色収差が小さくなるため、各種光学レンズ等の光学素子に好適となる。具体的には、本発明の光学ガラスの着色度λ70は480nm未満、470nm以下、特に460nm以下であることが好ましい。なお、本発明において、着色度λ70とは、厚み10mmの試料を用いて測定した光透過率曲線において、光透過率が70%となる最短波長をいう。
既述の特性以外に、本発明の光学ガラスはガラス転移点が低いことが好ましい。それにより、モールドプレス成形時の金型との融着を抑制でき、量産性を向上させることができる。また、ガラス転移点が低いほど、モールドプレス成形時にガラス成分が揮発しにくくなり、成形精度の低下や金型の劣化または汚染といった問題が生じにくくなる。具体的には、本発明の光学ガラスのガラス転移点は700℃以下、特に650℃以下であることが好ましい。
次に本発明の光学ガラスを用いた、デジタルカメラやビデオカメラ等に使用される光学レンズを作製する方法を説明する。
まず所望の組成となるように調合したガラス原料を溶融する。次に、溶融ガラスをノズルの先端から滴下して液滴状に成形(液滴成形)して硝材を得る。得られた硝材を研磨した後、あるいは研磨することなくモールドプレス成形し、所定形状の光学レンズを得る。なお、液滴成形を行う代わりに、溶融ガラスをインゴット状に成形し、適当な大きさに切り出した硝材を研磨した後、モールドプレス成形する方法を採用することもできる。
本発明の光学ガラスから作製された光学レンズは、金属部品にアセンブリしてレンズキャップとして使用することもできる。
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
表1〜3は本発明の実施例(試料No.1〜26)、及び比較例(試料No.27〜29)を示している。
各試料は次のようにして調製した。まず表に示す各組成になるようにガラス原料を調合し、白金ルツボを用いて1500℃で2時間溶融した。得られた溶融ガラスをカーボン板上に流し出し、アニール後、各測定に適した試料を作製した。
得られた試料について、屈折率(nd)、アッベ数(νd)、部分分散比(θg,F)、及び着色度λ70を測定した。結果を表1〜3に示す。
屈折率は、ヘリウムランプのd線(587.6nm)に対する測定値で示した。
アッベ数は、ヘリウムランプのd線の屈折率と、水素ランプのF線(486.1nm)、及びC線(656.3nm)の屈折率の値を用い、アッベ数(νd)={(nd−1)/(nF−nC)}の式から算出した。
部分分散比は、水素ランプのF線、C線、及びg線(435.8nm)の屈折率の値を用い、部分分散比(θg,F)={(ng−nF)/(nF−nC)}の式から算出した。
着色度λ70は、分光光度計を用いて、厚み10mm±0.1mmの光学研磨された試料について、200〜800nmの波長域での透過率を0.5nm間隔で測定し、得られた透過率曲線における透過率70%を示す最短波長により評価した。
表1〜3から明らかなように、本発明の実施例であるNo.1〜26の各試料は失透せずにガラス化し、かつ、屈折率が1.7992〜1.8891、アッベ数が23.2〜27.3、部分分散比が0.5995〜0.6180、着色度λ70が415〜445nmであり、所望の光学特性を有していた。
一方、比較例であるNo.27の試料はガラス化しなかった。No.28の試料は部分分散比が0.6502と高かった。No.29の試料は着色度λ70が500nmと高かった。
本発明の光学ガラスは、モールドプレス成形用硝材や研磨加工用硝材として、CD、MD、DVD、その他各種光ディスクシステムの光ピックアップレンズ、ビデオカメラ、デジタルカメラ、その他一般のカメラの撮影用レンズや光通信用レンズ等に好適である。
Claims (10)
- モル%で、SiO2 1.5〜60%、B2O3 1〜30%、Ta2O5 0〜15%、Nb2O5 12〜35%、TiO2 0〜15%、及びLi2O+Na2O+K2O 0.1〜40%を含有し、かつ、鉛成分、ヒ素成分、フッ素成分を実質的に含有しないことを特徴とする光学ガラス。
- さらに、モル%で、MgO+CaO+SrO+BaO+ZnO 0〜10%を含有することを特徴とする請求項1に記載の光学ガラス。
- さらに、モル%で、ZrO2 0〜15%、Al2O3 0〜10%を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の光学ガラス。
- さらに、モル%で、La2O3+Gd2O3+Bi2O3+Y2O3+Yb2O3+TeO2+GeO2 0〜10%を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光学ガラス。
- モル比で、Nb2O5/Ta2O5が350以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の光学ガラス。
- モル比で、TiO2/Nb2O5が1.2以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の光学ガラス。
- 屈折率が1.75〜1.95、アッベ数が15〜35であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の光学ガラス。
- 部分分散比が0.645以下であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の光学ガラス。
- 部分分散比(θg,F)とアッベ数(νd)が、(θg,F)<−0.0041×(νd)+0.7190の関係式を満たすことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の光学ガラス。
- 着色度λ70が480nm未満であることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の光学ガラス。
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Cited By (2)
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WO2021230229A1 (ja) * | 2020-05-15 | 2021-11-18 | 日本電気硝子株式会社 | ガラス材 |
WO2022102045A1 (ja) * | 2020-11-12 | 2022-05-19 | 株式会社ニコン | 光学ガラス、光学素子、光学系、接合レンズ、カメラ用交換レンズ、顕微鏡用対物レンズ及び光学装置 |
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WO2021230229A1 (ja) * | 2020-05-15 | 2021-11-18 | 日本電気硝子株式会社 | ガラス材 |
WO2022102045A1 (ja) * | 2020-11-12 | 2022-05-19 | 株式会社ニコン | 光学ガラス、光学素子、光学系、接合レンズ、カメラ用交換レンズ、顕微鏡用対物レンズ及び光学装置 |
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